Diagram Segitiga dan Kesetimbangan Cair-Cair

Transkripsi

1 Diagram Segitiga dan Kesetimbangan Cair-Cair Membuat Diagram Segitiga dan Cara Membacanya Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga Contoh dalam Ekstraksi Cair-Cair Setijo Bismo DTK FTUI 25 Nopember 2015

2 Pendahuluan tentang Cara Membuat dan Membaca: Diagram Segitiga Diagram terner direpresentasikan dalam sebuah segitiga, dengan ketiga sudutnya mewakili komposisi, dari ketiga KOMPONEN yang terlibat di dalamnya, seperti Asam Asetat, Air, dan Kloroform. Ketiga SUDUT yang merepresentasikan ketiga komponen tersebut diberi label A, B, dan C. Kelebihan penggunaan Diagram Segitiga dalam presentasi komposisi: ketiga variabel dapat diplot dalam grafik dua dimensi. dapat digunakan untuk membuat diagram fasa.

3 [#1] - Reprentasi Konsentrasi dalam Diagram Segitiga

4 [#2] - Reprentasi Konsentrasi dalam Diagram Segitiga Hasil penjumlahan konsentrasi (fraksi berat) adalah diagram terner ke kanan dengan semua skala ini. Perhatikan bahwa garis merah berat tidak termasuk dalam segitiga akhir ini. Juga mengamati bahwa diagram terner dibaca berlawanan arah jarum jam. Perhatikan ke-4 titik dalam Diagram Segitiga di kiri bawah ini: %-A 20 %-B 20%-C 100% 2. 5 %-A 40 %-B 35%-C 100% %-A 70 %-B 20%-C 100% %-A 25 % B- 75%-C 100%

5 [#3] - Reprentasi Konsentrasi dalam Diagram Segitiga Namun, yang umum digunakan, diagram terner biasanya tidak memiliki "Skala A", "Skala B", dan "Skala C. Juga, bahkan nomor pun persen tidak ada. Jadi, kita harus belajar untuk membaca diagram ini tanpa semua alat bantu tersebut. Maka, tentukanlah persentase untuk masingmasing titik-titik berikut! %-A 20 %-B 10 %-C 100 % %-A 40 %-B 0 %-C 100 % %-A 50 %-B 20%-C 100 % %-A 15 % B 75%-C 100 %

6 Prinsip Diagram Kesetimbangan dalam Ekstraksi (#1): Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga Kehadiran PELARUT BARU (komponen cair yang ketiga) kadangkadang dapat sangat berguna dalam mengubah kelarutan timbal balik dari dua komponen lainnya. Sebagai contoh: Noda berminyak pada sepotong pakaian. Kita dapat coba mencuci pakaian dengan air, tetapi minyak dan air relatif tidak larut sehingga minyak akan tetap berada pada pakaian dan tidak larut dalam air. Jadi bagaimana caranya kita dapat mengusir minyak keluar? Cobalah tambahkan deterjen, sebagi surfaktan (molekul yang memiliki ujung-ujung ionik dan organik), yang akan membantu ketiga komponen larut satu sama lain.

7 Prinsip Diagram Kesetimbangan dalam Ekstraksi (#2): Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga Sebaliknya, kita dapat menambahkan suatu PELARUT (komponen KETIGA) untuk mengurangi kelarutan suatu KOMPONEN sehingga dapat memisahkan (ekstraksi) dari larutan asal -nya. Dalam hal ini, dapat ditambahkan komponen ketiga yang akan membuat dua komponen lainnya menjadi kurang larut satu dengan lainnya. Sebagai contoh: Jika kita TAMBAHKAN garam (senyawa ionik) ke dalam campuran HEKSANOL AIR (yaitu: larutan heksanol dalam air), maka kelarutan ALKOHOL akan turun secara signifikan karena ion dapat larut dengan baik dalam air sebaliknya senyawa organik tidak menyukai LARUTAN ionik.

8 Prinsip Diagram Kesetimbangan dalam Ekstraksi (#2): Kesetimbangan Cair-Cair dalam Diagram Segitiga

9 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (1) Kelarutan dari tiga komponen cairan merupakan informasi penting untuk merancang proses ekstraksi cair-cair, yaitu untuk pemisahan bahan kimia yang berguna. Kelarutan dari campuran tiga komponen cair tersebut ditampilkan pada sebuah segitiga sama-sisi berikut ini: Garis MERAH: Untuk <C> Titik campuran terner dengan komposisi: 60 %-B, 20 %-A dan 20%-C. Garis HIJAU: Untuk <A> Garis BIRU: Untuk <B>

10 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (2) CAIRAN satu fasa : KOMPONEN (A) murni

11 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (3) Fasa CAIRAN tunggal : x 10% b x x A B C 80% 10% b b

12 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (4) Fasa CAIRAN tunggal, campuran BINER: xa 40% b xb 60% b; dan xc 0%

13 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (5) CAIRAN dua fasa : fasa #1 mengandung xa 6% b xb 24% b xc 70% b fasa #2 mengandung xa 83% b xb 11% b xc 6% b

14 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (6) Fasa CAIRAN jenuh (tunggal): dengan komposisi: xa 8% b xb 33% b xc 59% b

15 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (7) CAIRAN dua fasa, dengan - fasa #1 terdiri atas x 16 A % xb 52% xc 32% dan - fasa #2 terdiri atas xa 55% b x 35 B % xc 10% b

16 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (8) CAIRAN dua fasa, masing-masing membentuk campuran BINER A-C: - fasa #1 mengandung xa 05, % x 0 B % xc 99, 5% dan - fasa #2 mengandung xa 93% b x 0% b x B C 7% b

17 Posisi Konsentrasi dalam Ekstraksi Cair-Cair (9) Fasa CAIRAN jenuh (tunggal): dengan komposisi: xa 56% b xb 34% b; dan xc 10% b

18 ATURAN TUAS dalam Diagram Segitiga Aturan Tuas (lever rule) dapat berlaku dalam diagram fasa: jika dimisalkan, suatu aliran campuran terner dengan komposisi yang diwakili oleh titik A pada diagram kesetimbangan di bawah ini, memasuki settler (gambar bawah tengah) yang kemudian akan menghasilkan dua lapisan cairan (organik dan anorganik) yang berada dalam kesetimbangan ke dalam aliran B (di bawah) dan C (di atas). Karena kedua aliran tersebut berada dalam kesetimbangan, maka komposisinya dapat diwakili oleh ujung-ujung tie line seperti yang ditunjukkan pada diagram segitiga di sebelah kiri. Maka, perbandiangan atau rasio dari ketiga laju alir (massa ataupun molar) dapat dinyatakan sebagai rasio lengan tuas (ingat: lengan harus berlawanan titik tumpu dari titik yang dimaksud). Persamaan di sebelah kanan adalah rasio laju alir C/B dan C/A dalam fraksi massa yang diperoleh dari diagram segitiga.

19 Contoh #1: Ekstraksi Cair-Cair Suatu aliran umpan (F) dengan laju 100 kg/jam mengandung campuran A dan B, kemudian dicampur dengan 100 kg/jam air (= W, sebagai komponen C) untuk mengekstrak B ke dalam fasa air (pelarut = komponen C). Aliran yang keluar di bagian ATAS dari mixer/settler adalah fasa organik yang kaya akan A dan di bagian BAWAH adalah fase air (anorganik) yang mengandung 25%-b B. Hitunglah laju aliran produk dan komposisi umpan dengan menggunakan aturan tuas pada diagram terner di halaman berikut ini. W (100 kg/jam) F (100 kg/jam) Organik (Q1) Mixer/Settler: Anorganik (Q2)

20 Contoh #1: (lanjutan..)

21 Contoh #1: (Gambar Mixer-Settler)

22 Langkah-langkah Penyelesaian (1): Ketiga relasi persamaan diperlukan untuk pemecaan masalah yang berasal dari diagram fasa, dengan pertimbangan (asumsi) bahwa dua aliran yang keluar dari mixer/settler berada dalam kesetimbangan. Untuk penyelesaian masalah ini, maka langkahlangkahnya adalah sebagai berikut: Langkah 1: Cari aliran air pada diagram fase. Karena aliran keluar kaya akan C, berarti posisinya berada di sisi diagram fasa yang paling dekat dengan titik C. Selain itu juga, karena berada dalam kesetimbangan dengan aliran lain, maka posisi tersebut harus di kubah fasa (puncak) dengan komposisi B dari 25% mol. Didapatkan suatu titik dengan komposisi biru 25% pada kubah fasa. Komposisi titik ini adalah 25% B, 5% A dan 70% C.

23 Langkah 2: Langkah-langkah Penyelesaian (2): Selanjutnya, diketahui juga bahwa aliran kaya A berada dalam kesetimbangan dengan aliran ini, sehingga pada tie line yang sama tetapi di sisi berlawanan dari kubah fasa. Kita ikuti tie line ke sisi lain dari kubah fasa dan menemukan komposisi aliran ini menjadi 82% A, 11% B dan C 7%. Perhatikan, bahwa tujuan ekstraksi telah tercapai, yaitu dengan menghilangkan banyak komponen B dari A ke C. Langkah 3: Temukan komposisi umpan. Campuran terner akan tetap berada di tie line yang sama, namun berada di suatu tempat di wilayah dua fase. Karena dicampurkan 100 kg C dengan 100 kg dari aliran A + B, maka komposisi nominal campuran di separator adalah 50% mol C. Kita sekarang hanya dapat memilih dari titik di mana tie line melintasi garis merah 50%. Kita temukan komposisi menjadi 20 B% dan 30% A (dan tentu saja 50% C). Rasio B ke A adalah 2/3, sehingga secara C-bebas, komposisi akan 40 B% dan 60% A. Ini adalah komposisi umpan awal.

24 Langkah-langkah Penyelesaian (3): Langkah 4: Selesaikan neraca massa terkait ektraksi satu tahap tersebut, untuk menhitung laju alir produk. Hal ini dapat dilakukan langsung pada diagram segitiga dengan menggunakan aturan tuas (komposisi segaris). Rasio fasa air untuk umpan diberikan oleh panjang lengan berlawanan untuk tahap C selama total panjang tie line, atau Q2 / 200 kg/hr = (50-7)/(70-7) = 0,68 (di mana dapat kita gunakan C atau komposisi merah untuk mengevaluasi panjang dua tie line ). Dapat juga kita gunakan penggaris untuk mengukur panjang atau menggunakan komposisi biru atau hijau. Perhatikan, bahwa metodemetode tersebut sebenarnya akan memberikan hasil yang sama. Dengan demikian, Q2 = (200 kg/hr)(0.68) = 136 kg/jam dan Q1 = 64 kg/jam.

25 Neraca Massa (Ekstraksi Tahap TUNGGAL) Coba Soal berikut:

26 NERACA MASSA

27 SOAL#2 Ekstraksi Tahap Tunggal

28